2023年全國研究生數學建模競賽A題

2022-10-10 08:54:02 字數 2686 閱讀 7953

我海軍由1艘飛彈驅逐艦和4艘飛彈護衛艦組成水面艦艇編隊在我南海某開闊海域巡邏,其中飛彈驅逐艦為指揮艦,重要性最大。某一時刻t我指揮艦位置位於北緯15度41分7秒,東經112度42分10秒,編隊航向200度(以正北為0度,順時針方向),航速16節(即每小時16海浬)。編隊各艦上防空飛彈型號相同,數量充足,水平最小射程為10千公尺,最大射程為80千公尺,高度影響不必考慮(因敵方飛彈超低空來襲),平均速度2.

4馬赫(即音速340公尺/秒的2.4倍)。編隊僅依靠自身雷達對空中目標進行探測,但有資料鏈,所以編隊中任意一艘艦發現目標,其餘艦都可以共享資訊,並由指揮艦統一指揮各艦進行防禦。

以我指揮艦為原點的20度至220度扇面內,等可能的有飛彈來襲。來襲飛彈的飛行速度0.9馬赫,射程230千公尺,航程近似為直線,一般在離目標30千公尺時來襲飛彈啟動末制導雷達,其探測距離為30千公尺,搜尋扇面為30度(即來襲飛彈飛行方向向左和向右各15度的扇面內,若指揮艦在扇形內,則認為來襲飛彈自動捕捉的目標就是指揮艦),且具有「二次捕捉」能力(即第乙個目標丟失後可繼續向前飛行,假設來襲飛彈接近艦艇時受到電子干擾丟失目標的概率為85%,並搜尋和攻擊下乙個目標,「二次捕捉」的範圍是從第乙個目標估計位置算起,向前飛行10千公尺,若仍然沒有找到目標,則自動墜海)。

每批來襲飛彈的數量小於等於4枚(即由同一架或在一起的一批飛機幾乎同時發射,攻擊目標和飛彈航向都相同的飛彈稱為一批)。

由於來襲飛彈一般採用超低空飛行和地球曲率的原因,各艦發現來襲飛彈的隨機變數都服從均勻分布,均勻分布的範圍是飛彈與該艦之間距離在20-30千公尺。可以根據發現來襲飛彈時的航向航速推算其不同時刻的位置,故不考慮雷達發現目標後可能的目標「丟失」。編隊發現來襲飛彈時由指揮艦統一指揮編隊內任一艦發射防空飛彈進行攔截,進行攔截的準備時間(含發射)均為7秒,攔截的路徑為最快相遇。

各艦在一次攔截任務中,不能接受對另一批來襲飛彈的攔截任務,只有在本次攔截任務完成後,才可以執行下乙個攔截任務。指揮艦對攔截任務的分配原則是,對每批來襲飛彈只使用一艘艦進行攔截,且無論該次攔截成功與否,不對該批來襲飛彈進行第二次攔截。不考慮每次攔截使用的防空飛彈數量。

請通過建立數學模型,解決以下幾個問題:

一, 在未發現敵方目標時,設計編隊最佳隊形(各護衛艦相對指揮艦的方位和距離),應對所有可能的突發事件,保護好指揮艦,使其盡可能免遭敵飛彈攻擊。

二, 當不考慮使用電子干擾和近程火炮(包括密集陣火炮)等攔截手段,僅使用防空飛彈攔截來襲飛彈,上述編隊防禦敵來襲飛彈對我指揮艦攻擊時的抗飽和攻擊能力如何(當指揮艦遭遇多批次飛彈幾乎同時攻擊時,在最危險的方向上,編隊能夠攔截來襲飛彈的最大批數。)?

三, 如果編隊得到空中預警機的資訊支援,對距離我指揮艦200千公尺內的所有來襲飛彈都可以準確預警(即通報來襲飛彈的位置與速度向量),編隊仍然保持上面設計的隊形,僅使用防空飛彈攔截敵來襲飛彈對我指揮艦攻擊時的抗飽和攻擊能力(定義同上)提高多少?

四, 預警機發現前方有12批可疑的空中目標,從t時刻起,雷達測得的目標位置資訊在附件1的**中(說明:表中作戰時間為time_t格式,即從2023年1月1日0時起到某一時刻的秒數;目標位置經緯度的單位為弧度;目標高度的單位為公尺),各目標雷達反射面積見表1。用於判斷空中目標的意圖的知識和規則的樣本見表2。

請分析識別空中各目標可能的意圖。(相關的背景知識介紹參見附件a)

五, 如果我方的預警機和水面艦艇編隊的雷達和通訊系統遭到敵方強烈的電子干擾,無法發現目標,也無法傳遞資訊,這時,後果將是極其嚴重的,我編隊防空飛彈的攔截效能幾乎降低到零。由此引起人們的深思,資訊化條件下作戰對傳統的作戰評估模型和作戰結果已經產生重要的甚至某種程度上是決定性的影響!在海灣戰爭(相關資料參見附件b)的「沙漠風暴」行動開始前,一些軍事專家用傳統的戰爭理論和戰爭評估模型進行**,包括用蘭徹斯特戰爭模型**戰爭程序,結果卻大相徑庭,戰爭的實際結果讓他們大跌「眼鏡」。

那麼資訊化戰爭的結果應該用什麼樣的模型來分析或**呢?這是乙個極具挑戰性,又十分有意義的課題。請嘗試建立巨集觀的戰略級資訊化戰爭評估模型,從一般意義上反映資訊化戰爭的規律和特點,利用模型分析研究資訊系統、指揮對抗、資訊優勢、資訊系統穩定性,以及其它資訊化條件下作戰致勝因素的相互關係和影響(資訊化戰爭相關概念參見附件c)。

並通過資訊化戰爭的經典案例,例如著名的海灣戰爭,對模型加以驗證。

說明:1、方位角(mil)是指從我指揮艦到空中目標方向的方位角:正北時=0,順時針方向一周分為6400mil

2、距離(km)是指從我指揮艦位置到空中目標的距離;

3、水平速度(m·s-1)是指空中目標在水平面上的速度;

4、航向角(°)是指空中目標飛行的方向(正北為0度,順時針方向一周分為360度);

5、高度(km)是指空中目標距海平面的垂直距離;

6、雷達反射面積(m2)是指目標在雷達上回波的大小:0≤<2為小目標,2≤<4為中目標,≥4為大目標。

1.姜啟源. 數學模型[m]. 高等教育出版社. 1993.

2.胡曉峰. 戰爭複雜系統建模與**[m].北京:國防大學出版社.2005.

3. 張為民. 作戰**建模理論與方法[m].北京:海潮出版社.2009.

4. 軍事科學院軍事歷史研究部. 海灣戰爭全史[m].北京:解放軍出版社.2000.12

5. 張嘯天等. 多維戰爭中蘭徹斯特方程**[m].火力與指揮控制.2008. 33(2)

6. 孔紅山等. 蘭徹斯特方程的系統動力學模型研究[m].計算機工程與設計.2011. 32(8)

7. 史彥斌等. 基於蘭徹斯特方程的資訊支援效能研究[m].航空計算技術.2007. 37(5)

8. 唐鐵軍, 徐浩軍.應用蘭徹斯特法進行體系對抗效能評估[m].火力與指揮控制.2007. 32(8)

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